Статья-руководство

Как сделать датчик освещённости своими руками из разбитого калькулятора с солнечной панелью (или из любой солнечной панели)

Предисловие

Датчик освещённости, процесс изготовления и использования которого будет описан далее, предназначен для оценки уровня мерцания источников света и дисплеев электронных устройств. То есть, для оценки их качества по этому параметру (одному из важнейших).

Мерцание экранов и источников света - это один из факторов, влияющих на утомление при деятельности, связанной с высокой нагрузкой на зрение. Часто мерцания могут быть не заметными, но это, увы, не исключает их зловредного действия.

Конечно, мерцания - не единственный отрицательный фактор, существуют и другие: неблагоприятный спектральный состав света, чрезмерная или недостаточная яркость, чрезмерная контрастность окружающей световой обстановки.  Но последние факторы легко обнаруживаются "невооруженным глазом", что не всегда можно сказать о мерцаниях.

(кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)

На фото представлена заготовка для датчика освещённости, вырезанная из разбитого калькулятора. Далее речь пойдёт о том, как её "довести до ума" и сделать пригодной для оценки качества света.

     Оглавление:

   1. Извлечение солнечной панели из разбитого калькулятора

   2. Подбор нагрузки и тестирование датчика освещённости из солнечной панели

   3. Окончательный диагноз датчика яркости света "своими руками"

Извлечение солнечной панели из разбитого калькулятора

Калькулятор успел проработать до несчастного случая несколько десятилетий (!). Но затем, в результате крайне неудачного падения, у него был разбит дисплей:

Передняя фальшпанель калькулятора из окрашенного алюминия была снята, но снять затем солнечную панель не удалось: она оказалась приклеенной к основному (пластиковому) корпусу. В связи с этим было решено её просто выпилить вместе с той частью корпуса, к которой она была приклеена.

Так выглядит калькулятор с обратной стороны после вскрытия:

В левом верхнем углу видна "кроватка" для солнечной панели, к которой панель приклеена с лицевой стороны.

Выпиливаем "кроватку" ножовочным полотном или другой тонкой пилкой, и получаем уже почти готовый датчик освещённости:

Солнечная панель "как есть" (без дополнительной обвязки) тоже будет реагировать на свет, но пользы от этого будет мало.

Чтобы получить от панели значимые результаты, необходимо подключить к ней нагрузку (резистор). Это выведет её характеристику на линейный участок, а заодно снизит постоянную времени выходной цепи, что позволит получить на выходе сигнал, соответствующий реальной форме кривой освещённости.

Так выглядит окончательный вариант датчика освещённости:

Чтобы исходящие от солнечной панели провода не ломались в местах изгиба, они прикреплены к корпусу жирной каплей резиноподобного герметика.

А чтобы аналогично не ломались в местах пайки к резистору, провода примотаны к ножкам резистора несколькими витками оголённого медного провода.

Резистор припаян после подбора номинала, а как его подобрать - изучим в следующей главе.

Подбор нагрузки и тестирование датчика освещённости из солнечной панели

Для того, чтобы снять показания с датчика освещённости, его надо подключить к измерительному прибору. В идеале это - осциллограф, поскольку он позволит оценить не только величину мерцания света, но и форму кривой освещённости.

Но осциллограф, прямо скажем, имеется далеко не во всяком доме; и даже не во всякой организации.

В этом случае для оценки мерцаний можно использовать мультиметр среднего или высокого класса. То есть, мультиметр подойдёт не всякий: он должен уметь измерять как постоянное, так и переменное напряжение с ценой деления до 1 мВ. Мультиметры низкого класса, как правило, не могут измерять переменное напряжение с такой точностью.

Полезным результатом при измерениях мультиметром будет соотношение переменного напряжения к постоянному. Чем оно выше, тем пульсации яркости больше.

Теперь уже займёмся подбором нагрузки.

Осциллограммы снимались фотографированием с экрана портативного осциллографа Hantek 2D72 (обзор).

Чтобы убедиться, что без нагрузки результат измерения будет почти бесполезным, посмотрим на осциллограмму выхода датчика освещенности, прижатого к экрану монитора со светодиодной подсветкой, управляемой классическим ШИМ-ом:

Точнее, нагрузка здесь всё-таки есть - входное сопротивление осциллографа, равное 1 МОм.

Итак, на осциллограмме вместо классического прямоугольника видим непонятный сигнал с заваленными фронтами.

Теперь подключаем нагрузку 100 кОм:

Прямоугольный сигнал уже более-менее узнаваем, но далёк от идеала.

Теперь подключаем нагрузку 20 кОм:

Вот здесь сигнал уже можно считать прямоугольным. Пожалуй, даже можно было бы поднять сопротивление нагрузки повыше, до 40 кОм (чтобы поднять уровень сигнала); но и так сойдёт.

Частота пульсаций составила 180 Гц.

При этом величина постоянного напряжения, измеренная мультиметром, составила 184 мВ, а переменного - 202 мВ. То есть, при таком жёстком ШИМ-е величина переменного напряжения даже превзошла величину постоянного напряжения.

Далее - ещё несколько осциллограмм и данных измерений мультиметром.

Посмотрим на пульсации яркости экрана ноутбука типа LCD (уровень яркости 10%):

Постоянное напряжение на датчике яркости составило 39 мВ, переменное - 45 мВ; частота - 200 Гц.

К этому надо добавить, что скважность импульсов ШИМ-а дисплеев электронных устройств зависит от яркости; и на максимальной яркости ШИМ может полностью пропадать (прямая линия на осциллографе).

Кроме того, современные LCD-экраны часто оборудуются немерцающей подсветкой. Схема формирования такой подсветки - не сложна; и не понятно, почему раньше так не делали (копеечная экономия!)?!

Теперь исследуем экран смартфона типа AMOLED:

Постоянное напряжение на датчике яркости света составило 685 мВ, переменное - 6 мВ; частота - 120 Гц.

Уровень пульсаций оказался очень мал (можно пренебречь).

В обзорах пишут, что часто у экранов AMOLED пульсации яркости начинают обнаруживаться при яркости 50% и ниже, но в данном случае они ни при какой яркости не обнаруживались (т.е. надо проверять для каждого экрана персонально).

Теперь переходим к исследованию бытовых лампочек. Особенность этого исследования состоит в том, что при измерениях необходимо подбирать правильное расстояние от датчика до лампочки, чтобы результаты не были искажены из-за ухода солнечной панели в "насыщение".

Последнее возможно, если максимум сигнала достигнет предельного уровня генерации для солнечной панели, составляющего при комнатной температуре 0.6 В на элемент (умножить на число последовательных элементов, в данном случае получится 0.6 В * 4 = 2.4 В).

Наш первый клиент - светодиодная лампочка Supra выпуска 2013 г.:

Постоянное напряжение на датчике яркости света составило 790 мВ, переменное - 340 мВ; частота - 100 Гц.

Пульсации можно оценить как высокие; а в качестве смягчающего вину лампочки обстоятельства можно упомянуть, что в промежутках между максимумами яркость не падает до нуля.

Касательно схемотехники лампочки можно диагностировать наличие лишь примитивного светодиодного драйвера без стабилизации тока.

Теперь исследуем старую энергосберегающую лампочку на основе спиральной газосветной трубки (сейчас таких не делают):

Постоянное напряжение на датчике яркости света составило 1020 мВ, переменное - 44 мВ; частота - 100 Гц.

Уровень пульсаций яркости лампочки - очень мал. Пожалуй, таким лампочкам можно было бы ещё жить да жить; но сгубило их применение ртути при производстве. Сейчас это - большой грех!

И, наконец, завершаем подборку осциллограмм на позитиве -  светодиодной лампочкой современного производства:

Переменное напряжение на датчике освещённости отсутствует; так и должно быть у лампы с хорошим светодиодным драйвером.

Но к этому обязательно надо добавить, что не у всех современных светодиодных ламп имеется хороший драйвер. "Халтура" встречается ещё очень часто.

На этом переходим к итогам.
 

Окончательный диагноз датчика яркости света "своими руками"

Несмотря на всю примитивность конструкции датчика освещённости, сделанного своими руками, он оказался полностью пригоден для оценки уровня мерцания яркости дисплеев электронных устройств и бытовых осветительных приборов.

Полученные данные позволят обоснованно сформировать график труда и отдыха при работе за экраном электронного устройства, или подобрать подходящее место подключения для лампочек с сильными мерцаниями.

Если мерцания с высоким уровнем мерцаний из-за ШИМ-а будут обнаружены у какого-либо дисплея; то это, конечно, не значит, что такой дисплей надо выбрасывать. Просто надо организовывать работу за такими экранами с небольшими перерывами для отдыха глаз. Кроме того, зловредный эффект от мерцающей подсветки может быть сглажен, если вокруг такого экрана организовано немерцающее световое окружение.

Если же сильные мерцания обнаружены у лампочек, то такие лампочки можно установить в тех местах, где освещением пользуются редко и недолго: в прихожей, в чулане, в туалете, на чердаке и т.п.
 

Следующий вопрос - где взять солнечную панель для датчика, если дома нет разбитого калькулятора?! А чаще всего именно так оно и бывает.

Первый вариант - взять и разбить калькулятор (шутка).

Второй вариант - купить маленькие солнечные панели на Алиэкспресс. Для датчика лучше (но не обязательно) использовать батареи не из нескольких соединённых последовательно панелей, а одиночные панели примерно такого вида:

Поскольку такие панели имеют полезную площадь значительно больше, чем маленькие панельки из калькуляторов, то для них придётся подобрать другой номинал нагрузочного резистора. Скорее всего, он будет находиться примерно в интервале от 0.5 до 5 кОм.

Стоят такие панели очень недорого, но, из-за того, что их продают не по одной штуке, а минимум по 10, то итоговая цена получается не крохотной.

Купить подобные солнечные панели можно, например, у этого продавца на Алиэкспресс; цена на дату обзора с учётом доставки - ок. 240 российских рублей (цена может меняться, проверяйте!).

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" - здесь.

  Ваш Доктор.
 15 января 2023 г.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

  Комментарии вКонтакте:

При копировании (перепечатке) материалов ссылка на источник (сайт SmartPuls.ru) обязательна!